MRE11-RAD50-NBS1复合物的功能与人类疾病的研究进展

许晓慧 刘一丹

摘要：生物体的DNA常遭受着来自体外和体内各种因素的攻击，其中DNA双链断裂（DSB）是严重的一种DNA损伤方式。为了保证遗传信息的稳定性，生物体自身存在应对DNA损伤的修复机制。同源重组修复是精确的修复DSB的方式，MRE11-RAD50-NBS1（MRN）复合物是参与同源重组修复的关键蛋白，在不同物种之间存在保守性。从前关于MRN复合物的功能研究主要来源于酿酒酵母和线虫等低等生物，近些年来对哺乳动物MRN复合物的研究提示MRN复合物在高等动物DNA损伤修复中存在功能。本文综述了MRN复合物的组成和结构及其在DNA损伤同源重组修复中的功能，同时也介绍了MRN复合物异常所带来的人类疾病共济失调性毛细血管扩张综合征类似病症、奈梅亨断裂综合征和奈梅亨断裂综合征类似病症，并对这 3类DNA损伤修复缺陷疾病的临床表型和相关小鼠模型研究进行了总结。

关键词：DNA损伤修复；DNA双链断裂；同源重组；MRE11-RAD50-NBS1复合物

中图分类号： R34文献标识码： A文章编号：1000-503X（2024）02-0232-10

DOI：10.3881/j.issn.1000-503X.15556

Research Progress in the Roles of MRE11-RAD50-NBS1 Complex and Human Diseases

XU Xiaohui，LIU Yidan

Womens Hospital，School of Medicine，Zhejiang University，Hangzhou 310006，China

Correspnding author：LIU Yidan Tel：18667040717，E-mail：yidanliu@zju.edu.cn

ABSTRACT：DNA is susceptible to various factors in vitro and in vivo and experience different forms of damage，among which double-strand break（DSB）is a deleterious form.To maintain the stability of genetic information，organisms have developed multiple mechanisms to repair DNA damage.Among these mechanisms，homologous recombination（HR）is praised for the high accuracy.The MRE11-RAD50-NBS1（MRN）complex plays an important role in HR and is conserved across different species.The knowledge on the MRN complex mainly came from the previous studies in Saccharomyces cerevisiae and Caenorhabditis elegans，while studies in the last decades have revealed the role of mammalian MRN complex in DNA repair of higher animals.In this review，we first introduces the MRN complex regarding the composition，structure，and roles in HR.In addition，we discuss the human diseases such as ataxia-telangiectasia-like disorder，Nijmegen breakage syndrome，and Nijmegen breakage syndrome-like disorder that are caused by dysfunctions in the MRN complex.Furthermore，we summarize the mouse models established to study the clinical phenotypes of the above diseases.

Key words：DNA repair；DNA double-strand break；homologous recombination；MRE11-RAD50-NBS1 complex

Acta Acad Med Sin，2024，46（2）：232-241

DNA承載着生物体的遗传信息，是生物生存、发展和进化的基础，所以保证DNA的完整性和稳定性对生物体至关重要。在复杂多变的环境之下，DNA常遭受着不同形式的损伤，其中DNA双链断裂（DNA double-strand break，DSB）是严重的一种DNA损伤类型，为了保证遗传信息的稳定性，生物体自身存在应对DNA损伤的修复机制，一旦发生DSB，细胞将进行DNA损伤修复反应（DNA damage repair，DDR）^［1］。MRE11-RAD50-NBS1（以下简称MRN）复合物是DDR信号通路上的DSB信号感受器，可以第一时间感知DSB的发生，并聚集到DSB附近，通过与共济失调毛细血管扩张突变基因（ataxia telangiectasia-mutated gene，ATM）相互作用传导DNA损伤修复的信号；同时DSB附近的组蛋白也将发生不同形式的修饰，并凭借这些修饰位点特异性地招募下游DDR相关蛋白，最终完成DNA损伤修复过程^［2-4］。MRN复合物对DNA损伤修复的重要性不容置疑，其突变或者缺失会造成人类染色体不稳定的疾病。随着高通量测序技术的发展，研究者发现了许多这类疾病，如共济失调性毛细血管扩张综合征类似病症（ataxia-telangiectasia like disorder，ATLD）、奈梅亨断裂综合征（Nijmegen breakage syndrome，NBS）和NBS类似病症（NBS like disorder，NBSLD），这些疾病的临床表征不仅存在相似之处也有其独特性，提示MRN复合物在响应DNA损伤修复和疾病的发生发展过程中可能还存在其他作用。因此，本文总结当前关于MRN复合物的一些研究成果，概括了其结构和功能并重点阐述了MRN复合物和相关人类疾病的临床表征及其小鼠模型研究，可为临床医师在人类DNA损伤修复领域研究MRN复合物功能提供参考。

1 同源重组与MRN复合物

1.1 DNA損伤修复和同源重组

细胞主要通过两条修复途径对DSB进行修复：非同源末端连接和同源重组。

非同源末端连接是指DNA直接在断裂位点进行连接的修复方式，此过程不需要同源模板的参与，该方式可以发生于细胞周期的各个阶段，是一种快速但是容易出错的修复方式。目前研究发现，非同源末端连接存在两种类型，分别是经典的非同源末端连接和替代的非同源末端连接。经典的非同源末端连接过程需要两种DNA解旋酶亚基形成的异源二聚体（低等生物中为Ku70/Ku80、哺乳动物同系物为X射线修复互补交叉蛋白5/6）和DNA依赖性蛋白激酶的参与；与之相反的是，替代的非同源末端连接过程是一种低效率的修复方式，这种方式可能是在经典的非同源末端连接存在缺陷时作为候补的一条修复通路^［5］。

同源重组是指断裂DNA必须在同源模板的参与下，通过一系列因子的协同作用才能完成的一种修复方式，与非同源末端连接相比，同源重组是精确并且不易出错的DSB修复途径^［6］。当细胞选择以同源重组的方式进行修复时，需要对DSB产生的DNA末端进行一定程度的切割，这一过程由MRN复合物及其他核酸酶对5DNA末端进行切除，产生3单链DNA（single-stranded DNA，ssDNA）^［7］。一旦ssDNA产生，复制蛋白质A作为单链结合蛋白结合到DNA上保护单链免于降解，随后在乳腺癌易感蛋白1/2（breast cancer type 1/2 susceptibility protein，BRCA1/BRCA2）等DDR蛋白的帮助下，名为同源物辐射敏感蛋白51（radiation sensitive protein 51，RAD51）的重组酶取代复制蛋白质A与ssDNA结合形成RAD51-ssDNA的纤维状结构。RAD51-ssDNA作为重组中间体负责同源模板的找寻和链侵入^［8-9］。同源模板一般是姐妹染色单体或者同源染色体。在链侵入过程中，RAD51-ssDNA会和同源模板形成置换环结构，随着置换环结构的进一步扩展，断裂位点相连，继而生成霍利迪连接体结构；置换环结构和霍利迪连接体结构均可在酶和其他蛋白介导下进行解离，并最终生成两种形式的同源重组修复产物（交叉产物或者非交叉产物），至此即完成同源重组修复DSB的过程^［10］。值得注意的是，生物体内生殖细胞的减数分裂中也存在同源重组修复，减数分裂是单倍体配子产生的生物学基础。与体细胞不同的是，开启减数分裂的精母细胞和卵母细胞中会自发产生大量的程序性DSB，然后通过同源重组的方式、以同源染色体作为模板对这些DSB进行修复，这也是生物体遗传多样性的来源。减数分裂的同源重组与体细胞中大体类似，许多体细胞中关键的同源重组蛋白也参与了此过程^［11］。

DNA末端切割是同源重组修复的起始，也是DNA损伤修复关键的一步^［12］。MRN复合物是负责DNA末端切割的关键蛋白，MRE11同时具有核酸内切酶和3-5核酸外切酶的活性。MRE11在RAD50和NBS1的协助下，首先对DSB位点进行短距离的切割，然后具有5-3端核酸外切酶活性的核酸外切酶1（exonuclease 1，Exo1）和DNA复制解旋酶/外切酶（DNA replication helicase/nuclease，DNA2）对5端DNA链进行长距离的切割，最后MRN复合物和Exo1/DNA2协同工作，对DSB进行双向的末端切割，形成一段长的3端ssDNA^［7，13］。正确的DNA末端切割还需要其他因子参与，包括C端结合蛋白相互作用蛋白（C terminal binding protein interacting protein，CtIP）以及布卢姆氏综合征解旋酶等^［14］。CtIP与MRN复合物结合，能够激活MRE11核酸内切酶的活性，促进DSB位点短距离的切割，布卢姆氏综合征解旋酶与Exo1/DNA2结合，能够促进DNA链长距离的末端切割效率^［15］。

1.2 MRN复合物的结构和功能

MRN复合物是由MRE11、RAD50和NBS1蛋白组成的多聚复合物，具有参与DNA损伤修复同源重组过程、调控细胞周期和信号转导以及维持端粒稳定性功能。

MRE11蛋白相对分子质量约为81×10³，是DNA结合蛋白，也是核酸酶。MRE11蛋白N端是形成MRE11二聚体的核心结构域，包含了与NBS1蛋白结合的位点，同时也是其核酸内切酶和3-5核酸外切酶活性中心，负责切割DNA末端；近N端存在一段帽子结构域，能够诱导双链DNA解旋和定位DNA链；MRE11蛋白的C端包含DNA结合结构域和RAD50蛋白结合结构域，是形成MRN复合物并介导复合物与DNA结合的关键结构域^［7］（图1）。

NBS1蛋白是一个连接蛋白，相对分子质量约95×10³，故又称为 p95。NBS1蛋白N端存在一个叉头相关结构域（the forkhead-associated domain，FHA）和两个串联的BRCA1羧基末端结构域（BRCA1 C terminus domain，BRCT），负责识别DSB的发生。NBS1蛋白C端包含MRE11结合结构域，同时存在ATM结合结构域，可介导NBS1蛋白与ATM的相互作用，调控细胞信号通路；NBS1蛋白的中心结构域存在丝氨酸-谷氨酰胺基序能够被ATM磷酸化，DNA损伤检验点介导蛋白1可以识别并结合在这些被磷酸化的氨基酸基序上，组装形成下游DDR蛋白的招募平台，负责进一步传递并响应DDR信号^［16］（图2）。

RAD50蛋白是染色体结构维持蛋白家族的成员。RAD50在胞质内与MRE11结合形成四聚体M₂R₂。RAD50两端具有三磷酸腺苷（adenosie triphosephate，ATP）酶的特定基序Walker A和Walker B，这两种保守的氨基酸基序可以使得RAD50结合并水解ATP产生能量，对促进RAD50的蛋白二聚化、改变MRN复合物与DNA链之间的构象起到重要作用。此外，RAD50蛋白还具有两个卷曲螺旋结构域，它们在三维结构中形成反向平行的连接并被锌离子螯合的锌钩结构分开，使RAD50蛋白形成“V”状结构，赋予蛋白高度的灵活性（图3）。RAD50的柔性结构为MRN复合物之间的彼此沟通和找寻DNA模板提供了可能^［17］。

MRN复合物作为与DSB位点结合的效应器之一，其主要功能是参与同源重组的末端切割过程，还可以通过与ATM相互作用来参与DNA损伤信号的传导和调控细胞周期^［18-19］。目前的研究发现ATM的激活并不完全依赖于MRN复合物的存在，MRN复合物缺失仅仅会导致活化的ATM水平降低，表明依然存在其他被激活的ATM^［20-21］。有研究发现NBS1蛋白第278和第343两个位点处的丝氨酸可以被ATM磷酸化，参与调控S期内部检查点，而MRE11和RAD50同样可被ATM磷酸化后，参与DDR信号的传导^{［4，22-23］}。酵母和拟南芥的研究中发现MRN复合物参与调控和维持端粒的长度^［24-25］。部分人类肿瘤细胞中存在不依赖端粒酶而能维持端粒长度的机制即端粒延长替代机制，该机制可能是基于DNA损伤修复的同源重组通路来修复断裂端粒位点，所以有研究认为MRN复合物在肿瘤细胞的端粒维持过程中存在作用^［26-27］。

2 MRN复合物与人类疾病

MRE11蛋白是MRN复合物的核心蛋白，具有核酸酶的活性，并负责执行同源重组DNA的末端切割^［7］。NBS1蛋白负责MRN复合物的入核定位，并可识别DSB的发生^［28］。RAD50蛋白具有特殊的卷曲螺旋结构能够增加MRN复合物的柔性，使得DSB附近的MRN復合物彼此交互，直至DSB达到能够响应DDR的阈值^［29］。MRN复合物对于同源重组修复DSB这一过程至关重要，MRN复合物的功能缺失会导致一系列人类疾病，所以DNA损伤修复机制的研究热点之一是针对MRN复合物的编码基因突变后所致人类疾病的研究。

2.1 MRE11与ATLD

共济失调性毛细血管扩张综合征（ataxia-telangiectasia，A-T），是一类因ATM突变导致的常染色体隐性遗传病。A-T患者由于控制平衡和运动的小脑存在异常，往往会出现共济失调的症状，且随着患者年龄的增长，还会出现运动神经系统的异常，同时也会出现毛细血管扩张、部分体液免疫系统的缺陷，伴有对恶性肿瘤易感、对电离辐射敏感和基因组不稳定等特征^［30］。有研究还发现了一类与A-T具有相似临床表型的疾病，但其ATM基因并没有发生突变，于是将这种与A-T表型相似的疾病称之为ATLD。根据突变基因的不同可将ATLD分为两类：第一类是MRE11突变造成的，另一类是由于增殖细胞核抗原基因发生突变^［31-32］。对第一类ATLD患者的生化分析发现，MRE11的突变会导致MRE11蛋白低水平表达或者截短表达，从而影响了MRE11蛋白的酶活性和MRN复合物的形成^［31］。

有研究先后报道了4例带有MRE11基因突变的ATLD患者，分别是ATLD 1/2和ATLD 3/4：（1）ATLD 1/2患者为一对表兄妹，携带有相同的MRE11纯合突变即MRE11 1897bp处发生了碱基替换由C转变成T，引起MRE11蛋白在第633位的精氨酸处提前终止（R633 stop），均表现出明显的A-T症状即共济失调和小脑分区异常^［33-34］。进一步研究发现，正常的细胞在应对电离辐射诱导的DNA损伤时，MRE11蛋白会在DSB位点形成电离辐射诱导的焦点（irradiation-induced nuclear foci，IRIF）以响应DDR信号。然而携带ATLD 1/2患者突变的MRE11蛋白却无法形成IRIF，说明MRE11基因突变会造成DDR应答的缺陷。（2）ATLD 3/4患者是携带有MRE11杂合突变的一对兄弟，测序后发现这对兄弟的MRE11基因在第350bp处发生了碱基的替换由A转变成G，导致MRE11蛋白第117位上的天冬酰胺被替换成丝氨酸（N117S）。同时在1714bp处发生C到T的转变造成MRE11蛋白在第571位的精氨酸处提前终止（R571X），该突变继承了母本基因组的突变，但往往会因为无义介导的mRNA降解，几乎不会表达或者低水平表达MRE11截短蛋白，两位患者也均出现了共济失调、小脑萎缩和眼球运动失能等症状^［34-35］。

2004年Delia等^［35］报道了意大利家族的两例ATLD患者（ATLD 5/6），ATLD 5/6患者是携带MRE11复合杂合突变的一对兄妹，都继承了来自母亲的MRE11基因突变，即在1442bp处发生了碱基C到A的替换所造成MRE11蛋白第481位的苏氨酸被替换成赖氨酸（T481K）的错义突变，同时也存在与ATLD 3/4相同的在第571位的精氨酸处提前终止（R571X）的突变。2005年Fernet等^［36］报道了来自3个不相关阿拉伯家族的10例ATLD患者（ATLD 7-16），ATLD 7-16患者均携带纯合的MRE11蛋白的错义突变即第210位氨基酸处的色氨酸被替换成半胱氨酸（W210C），并表现出A-T类似的临床表型。2009年Uchisaka等^［37］报道了一对患有肺腺癌的ATLD患者（ATLD 17/18），ATLD 17/18患者是一对兄弟，携带有MRE11第243位氨基酸处的色氨酸被替换成精氨酸（W243R）的错义突变和内含子突变即基因组序列24994处核苷酸的替换（g.24994G>A），导致MRE11蛋白在其帽子结构域处丢失了27个氨基酸残基。ATLD 17/18突变位于MRE11 N段核心区域和C端DNA结合区域，患者表现共济失调同时伴有小脑萎缩和智力迟钝等的临床表征，分别在9岁和16岁时死于肺腺癌，这也是首次发现的ATLD感染恶性肿瘤的病例。

目前为止，公开报道的18例由MRE11突变导致的ATLD病例均存在共济失调和小脑萎缩的临床表征，但均未出现毛细血管扩张的症状，并且仅有2名ATLD患者存在恶性肿瘤的易感（表1）。

2.2 NBS1蛋白与NBS

NBS是因为NBS1第6～10号外显子发生突变导致的一类隐性遗传病，大约有90%以上的NBS患者携带的突变是在657bp处缺失了5个碱基造成的移码突变，可表示为NBS1 657Δ5突变^［38］。NBS1 657Δ5突变会导致NBS1蛋白在第218位氨基酸处提前终止，并因阅读框的变换在第221位氨基酸处又重新开始表达，理论上会存在两段NBS1截短蛋白的表达：（1）NBS1 p26蛋白，相对分子质量约为26×10³，仅表达NBS1蛋白N端的FHA和BRCT结构域；（2）NBS1 p70蛋白，相对分子质量约为70×10³，表达NBS1蛋白C端MRE11结合结构域和ATM结合结构域^［38-39］。有研究发现在NBS患者的淋巴母细胞系中两段截短蛋白都存在，但在其纤维细胞中只检测到了NBS1 p26蛋白^［38］。NBS患者会表现出明显的临床特征，如鸟样面部特征、头小畸形和发育迟缓伴随畸形等，还存在免疫缺陷和淋巴恶性肿瘤易感。除此之外，NBS女性患者多发生原发性卵巢功能不全，而男性患者多在青春期表现为弱精症^［40］。NBS患者的细胞也会出现和A-T、ATLD患者细胞相同的表型，即辐射敏感、染色体不稳定、细胞周期检查点异常和同源重组效率降低等^［41-42］。

2.3 RAD50与NBSLD

NBSLD是因RAD50发生突变而导致的类似NBS的人类疾病，目前报道还很少，仅有的一例是德国女性，具有NBS典型的临床表型：头小畸形和鸟样状面部特征。基因分析结果顯示，该患者并不携带NBS1基因的致病突变，反而携带了RAD50基因的复合杂合突变。对患者细胞RAD50基因的编码区进行序列分析发现，在RAD50基因的第21号外显子上带有母系遗传突变，导致RAD50蛋白在第1093位的精氨酸处翻译提前终止，同时在第25号外显子处携带有来自父本的单碱基突变，影响了RAD50蛋白翻译时的终止密码子，导致该突变可在RAD50蛋白的羧基端延长翻译产生66个额外的氨基酸。进一步的生化分析发现，该患者的细胞中仅残留极低水平的、不稳定的RAD50蛋白，这意味着来自母系遗传的RAD50突变可能存在无义突变介导的mRNA降解，而在父系遗传的RAD50突变占据主导地位时，RAD50蛋白也只能进行异常、不稳定的翻译。除此之外这些细胞存在G1/S细胞周期检查点激活缺陷，表现出耐辐射的DNA合成和G2期积累的现象。值得注意的是，该患者就诊时体内免疫球蛋白水平是正常的，未发现任何恶性肿瘤的倾向性^［43］。

MRE11、RAD50和NBS1蛋白均为DDR过程中的关键蛋白，当这三个基因之一发生突变导致MRN复合物的形成和功能存在缺陷时，就会使得损伤的DNA链得不到正确有效的修复，产生染色体断裂、重排或者缺失的异常现象，从而增加了染色体的不稳定性，导致人类疾病和肿瘤发生。ATLD、NBS和NBSLD三种疾病存在共同点和差异：（1）三种疾病的共同点是都存在DDR应答缺陷，具体表现为患者细胞染色体不稳定性和对辐射敏感增加；（2）通过对比试验发现ATLD患者的症状与AT病症更加相似，出现共济失调和小脑萎缩等神经退行性变化；（3）NBS患者存在独特的鸟样面部特征和发育畸形等异常的临床特征，同时还存在免疫缺陷和恶性淋巴肿瘤易感性；NBSLD患者虽然具有NBS典型的临床特征，但是NBSLD患者不存在明显的恶性肿瘤易感性。上述的三种疾病既存在DNA损伤应答缺陷又表现出各自独特的临床表征，说明MRN复合物对DDR应答通路同样重要，也表明了MRN复合物各个蛋白又存在各自独特的功能。

3 MRN复合物相关人类疾病的小鼠模型研究

3.1 MRE11相关疾病的小鼠模型研究

有研究设计了Mre11^ATLD1/ATLD1的小鼠模型，在小鼠Mre11 1894bp处进行A到T的突变导致蛋白的截短，该小鼠能够比较完美地模拟ATLD患者的一些疾病表型，如Mre11^ATLD1/ATLD1的小鼠表现出染色体的不稳定性和细胞周期的缺陷，与ATLD患者一致，且没有恶性肿瘤的易感性，可用于研究MRE11突变在ATLD中的作用机制^［44］。该研究还通过Mre11^ATLD1/ATLD1模型小鼠很好地解释了ATLD女性群体存在的生殖问题，研究者通过Mre11^ATLD1/ATLD1小鼠纯合交配观察胚胎在小鼠子宫内的发育过程，发现Mre11^ATLD1/ATLD1纯合胚胎能够进入囊胚期，但是相比于正常组胚胎，大部分的Mre11^ATLD1/ATLD1纯合胚胎不能从囊胚期的透明带中孵化进入下一个胚胎发育时期，最终在体外培养的第1～3天内出现坏死细胞，与目前报道的ATLD女性患者不存在卵巢发育不良和卵泡发育缺陷的问题却出现生育力低下的现状高度一致。Mre11^ATLD1/ATLD1雌性生育率低下原因是MRE11突变可能会造成胚胎在细胞分裂中出现阻滞或延迟，从而导致胚胎囊胚期发育障碍，因此也可以认为MRE11在早期胚胎发育过程尤其是囊胚期孵化和囊胚腔形成的过程中发挥重要作用。

3.2 NBS1蛋白相关疾病的小鼠模型研究

2002年Kang等^［45］设计了Nbs1^m/m的小鼠，通过删除NBS1的第2号和3号外显子来破坏NBS1蛋白N段的表达，并且验证了该基因型小鼠的成纤维细胞内存在一段低水平表达的NBS1截短蛋白p75，仅保留了NBS1蛋白C端的结构域（表2）。该研究发现Nbs1^m/m的小鼠可以存活，但表现为发育迟缓、多种淋巴细胞发育缺陷和免疫缺陷并伴有胸腺淋巴瘤易感的表型。除此之外，Nbs1^m/m雌鼠与对照组相比，其卵巢高度退化并伴随着原发性卵母细胞和卵泡的完全缺失，即Nbs1^m/m雌鼠不育，这一生殖表型也与NBS女性患者所报道的卵母细胞发育缺陷一致。在Nbs1^m/m的细胞表型上的研究发现，该基因型的胚胎干细胞表现出强烈的辐射敏感性，并在辐照后长时间积累在G2期，而其成纤维细胞则表现出耐辐射的DNA合成和G1/S期过渡的缺陷。Williams等^［46］在研究構建Nbs1^ΔB/ΔB小鼠模型时发现Nbs1^ΔB/ΔB的小鼠是可以存活的，其诸多疾病表型也远远弱于NBS患者，例如Nbs1^ΔB/ΔB小鼠的免疫球蛋白数量与健康小鼠相比仅略有降低以及Nbs1^ΔB/ΔB小鼠不存在恶性肿瘤的易感倾向（表2）。

2005年Difilippantonio等^［47］直接将人源NBS1 657Δ5基因导入到内源性Nbs1基因完全敲除的小鼠当中，构建了hNbs1^657Δ5mNbs1^-/-小鼠模型（表2）。因为考虑到Nbs1基因完全敲除会导致小鼠早期胚胎死亡，该研究首先获得了hNbs1^657Δ5 mNbs1^+/+之后再与mNbs1^+/-进行交配，最终获得基因型hNbs1^657Δ5 mNbs1^-/-的小鼠，用同样的方法获得hNbs1^WT mNbs1^-/-小鼠，并且证明了人源的全长NBS1可以挽回NBS1敲除致死的表型。hNbs1^657Δ5 mNbs1^-/-小鼠的表型几乎完全与NBS患者的表型一致：在免疫方面hNbs1^657Δ5 mNbs1^-/-小鼠T细胞发育异常、免疫球蛋白水平降低，同时在晚期多出现淋巴恶性肿瘤，hNbs1^657Δ5 mNbs1^-/-雌鼠在出生后出现卵巢退化，且没有原始卵泡和卵母细胞，在减数分裂进程中雌鼠减数分裂正常启动，但停滞在粗线期，即hNbs1^657Δ5 mNbs1^-/-雌鼠不育。这些现象提示，带有657Δ5的NBS1变异蛋白可能具有减数分裂同源重组的缺陷。同时还发现hNbs1^657Δ5 mNbs1^-/-基因型的小鼠细胞中MRE11的入核受到了影响以及存在细胞周期检查点的缺陷。

hNbs1^657Δ5 mNbs1^-/-基因型的小鼠存在极低水平的NBS1 p70表达，这一截短蛋白仅保留了NBS1 C端MRE11结合结构域和ATM结合结构域，而缺失了NBS1 N端结构域。在以往研究中发现，对NBS1 N端结构域FHA和BRCT进行定点诱变实验，会破坏MRN复合物的IRIF形成，并且影响NBS1蛋白的磷酸化；因为FHA和BRCT两个结构域非常接近，无法将两者对NBS1的功能明确分开，所以可认为FHA和BRCT结构域对NBS1的功能影响是相似的^［48］。为了进一步确定NBS1 N端结构域在体内的作用，Difilippantonio等^［47］构建了一个hNbs1^H45A mNbs1^-/-基因型的小鼠（表2）。hNbs1^H45A的突变会使得NBS1 FHA结构域失活，但不影响整体NBS1蛋白的表达。首先hNbs1^H45A mNbs1^-/-小鼠是可以存活的，在免疫系统方面hNbs1^H45A mNbs1^-/-小鼠表现出T细胞发育缺陷。在生殖方面hNbs1^H45A mNbs1^-/-小鼠出现卵巢退化和卵母细胞缺陷，即雌鼠不育。此现象提示，FHA结构域对于NBS1在生殖细胞发育中的功能非常重要。在细胞表型上，hNbs1^H45A mNbs1^-/-成纤维细胞中MRE11不能被招募到DSB位点，这表明FHA结构域负责MRN复合物在DSB位点的正确驻留。目前针对NBS研究的小鼠模型总结见表2。

为了开展NBS1突变导致脑发育缺陷的机制研究，研究人员构建了在中枢神经系统特异性敲除Nbs1的小鼠模型Nbn^CNS-del，该小鼠模型再现了NBS患者在脑发育方面存在的缺陷，出现了头小畸形这一典型特征。该模型阐述了在小鼠脑组织中NBS1的突变会导致DNA损伤的积聚和大脑皮质明显的神经元退行性变，进而导致下游p53的激活并特异性地调控下游基因表达造成神经元前体细胞增殖障碍。同时该研究还发现Nbn^CNS-del小鼠脑组织的不同部位神经元对DNA损伤应答具有组织空间调节的特异性^［49-50］。

3.3 RAD50相关疾病的小鼠模型研究

2002年研究人员构建了Rad50纯合突变的小鼠模型Rad50^S/S，该突变是Rad50 ATP结合结构域上的错义突变，导致RAD50蛋白第22位的赖氨酸突变为甲硫氨酸^［51］。该模型携带的RAD50突变在酿酒酵母中表现出孢子形成失败、减数分裂障碍的表型，意味着RAD50蛋白在减数分裂过程中的重要作用^［52］。研究人员还进一步利用Rad50^S/S小鼠模型探索在哺乳动物中RAD50蛋白的作用。Rad50^S/S小鼠模型在胚胎第14～16天出现部分胚胎致死的现象，同时Rad50^S/S小鼠也会发生早衰、严重贫血、造血功能障碍和胸腺结构异常，Rad50^S/S细胞还表现出低水平的RAD50表达和染色体不稳定性的特征。Rad50^S/S雌性小鼠可育，雄性小鼠睾丸发育正常，但是生精小管内减数分裂细胞会发生凋亡，从而造成耗竭，尽管如此Rad50^S/S雄鼠依然可育。Rad50^S/S小鼠模型在造血和生殖系统上均表现出明显的衰竭状态，表明了RAD50对于维持增殖组织稳态的重要性。大部分MRN复合物相关人类疾病都构建了相关小鼠模型，而有关于人类NBSLD的小鼠模型目前尚未开发。

4 总结和展望

DSB是基因组面临的最严重的损伤之一，而同源重组则是能够精确修复DSB、维持基因组稳定性的重要修复机制。同源重组的关键步骤之一是对DSB产生的DNA末端进行一定程度地切割，而MRN复合物是此步骤中的关键蛋白。与其重要性相一致的是，MRN复合物中任一蛋白的编码基因发生有害突变均会造成染色体不稳定综合征，如ATLD、NBS和NBSLD。本文总结了这三类疾病患者的表型以及构建的模拟疾病表型的小鼠模型的研究。对这些疾病患者及相应小鼠模型的研究发现不同疾病在神经系统功能、生长发育以及肿瘤易感性上有明显差异。以上现象提示，MRN复合物的各个蛋白不仅作为复合物共同作用，还可能在参与DSB损伤应答、维持基因组稳定性的方面具有独立于MRN复合物之外的其他功能。

此外，本文还关注了MRN相关疾病在生殖方面的表型，以及相关小鼠模型的研究。生殖细胞减数分裂的同源重组与体细胞过程类似，许多同源重组的关键蛋白也参与生殖细胞的减数分裂。从本文中关于MRN缺陷的疾病表述中我们可以发现，不同疾病患者在生育力方面有所不同：ATLD女性患者多存在生育力低下的表征；而NBS女性患者与原发性卵巢功能不全存在高度的相关性。此外，本文中提到的对应小鼠模型的研究也提示，MRN復合物很有可能参与减数分裂同源重组的调控，但MRE11、NBS1和RAD50可能存在不同的作用效果。由于当前关于MRN复合物在哺乳动物减数分裂同源重组中的机制研究还比较少，因此需要构建新的、有针对性的小鼠模型进行更深入的研究。

综上，本文总结了MRN复合物的功能与人类疾病的关联研究，揭示了MRE11、RAD50和NBS1在DNA损伤修复中的重要功能。基于本综述我们可以提出如下值得深入探索的研究方向：进一步开展组成MRN复合物的三种蛋白在神经系统的发育、胚胎或生殖系统发育以及抑制肿瘤发生等方面的研究，获取更多、更详实实验数据，从而解析MRE11、RAD50和NBS1的功能和疾病发生之间的关联，帮助我们更加全面地理解这三种蛋白的作用，为相关人类疾病的缓解甚至是治愈提出新的可行方案。

利益冲突 所有作者声明无利益冲突

作者贡献声明 许晓慧：研究思路的提出，文献检索和文章撰写；许晓慧、刘一丹：论文的修订、质量控制及审查，并同意对研究工作诚信负责

参 考 文 献

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（收稿日期：2023-03-01）